固體電子器件

1、固體電子器件課程教學(xué)大綱一、課程說明（一）課程名稱、所屬專業(yè)、課程性質(zhì)、學(xué)分課程名稱：半導(dǎo)體器件物理所屬專業(yè)：微電子科學(xué)與工程課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學(xué)分：4 學(xué)分（二）課程簡介、目標(biāo)與任務(wù)【課程簡介】本課程的適用對象是電子工程專業(yè)、微電子學(xué)專業(yè)的本科生，也可供對固體電子器件感興趣的學(xué)生和科技工作者作為參考讀本。本書的主要內(nèi)容是半導(dǎo)體器件（亦稱固體電子器件）的工作原理，基本涵蓋了所有的器件大類，反映了現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)理論、 工作原理、二級效應(yīng)以及發(fā)展趨勢；同時(shí)對許多新型器件和制造技術(shù)也有所介紹。本課程在內(nèi)容的安排上力求使那些具有物理背景知識的高年級學(xué)生對專業(yè)知識有更為深入的理解，從而使他們能夠

2、閱讀關(guān)于新器件及其應(yīng)用的參考文獻(xiàn)?！灸繕?biāo)與任務(wù)】本課程有兩個(gè)基本目標(biāo)和任務(wù)： 一是對七大類半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性做全面深入的分析與闡述，對相關(guān)的半導(dǎo)體材料和制造工藝也有述及；二是介紹新型納電子器件及其基本分析方法，這樣既便于與電子線路和電子系統(tǒng)等相關(guān)課程銜接，也使學(xué)生具備分析、設(shè)計(jì)新型器件的基本能力和方法。（三）先修課程與后續(xù)課程本課程的先修課程包括：半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體物理學(xué)，微電子制造工藝。本課程是后續(xù)集成電路分析與設(shè)計(jì)、微電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)等課程的基礎(chǔ)。1（四）教材與主要參考書【課程教材】（1）英文版：Ben G. Streetman and Sanjay Banerjee, Soli

3、d StateElectronic Devices（Seventh edition）, Pearson Education, Inc., 2015. ISBN978-0-13-335603-8.（ 2）中文版： Ben G. Streetman著，楊建紅譯，固體電子器件，電子工業(yè)出版社，2016 年（在版）?！局饕獏⒖紩渴┟簦溃┲?，耿莉譯，半導(dǎo)體器件物理，西安交通大學(xué)出版社，2013 年。 ISBN 978-7-5605-2596-9.二、課程內(nèi)容與安排第 1章 晶體性質(zhì)和半導(dǎo)體生長（略講，無計(jì)劃學(xué)時(shí)）1-1 常用半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)1-2 硅塊狀晶體生長電子級硅（ EGS）原料的制備；單

4、晶 Si的Czochralski 制備方法； Si摻雜技術(shù)。1-3 薄膜晶體生長汽相外延（VPE）、金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積 （MOCVD ）以及分子束外延 （MBE ）技術(shù)簡介。第 2章 半導(dǎo)體的能帶與載流子（共 6學(xué)時(shí)）2-1 晶體能帶的形成原子的殼層結(jié)構(gòu)與原子的能級；從原子能級到晶體能帶；金屬、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶差異。2-2 典型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)、載流子直接禁帶半導(dǎo)體（ GaAs ）和間接禁帶半導(dǎo)體（ Si）；能帶性質(zhì)隨組分的變化；空穴的概念與性質(zhì)；載流子有效質(zhì)量；載流子動(dòng)量、本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體、量子阱中的載流子。22-3 載流子濃度費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)、費(fèi)米能級；平衡載流子濃度、有效態(tài)密

5、度、態(tài)密度有效質(zhì)量；載流子濃度隨雜質(zhì)濃度和溫度的變化；雜質(zhì)補(bǔ)償與空間電荷中性。2-4 載流子在電場和磁場中的運(yùn)動(dòng)遷移率、電導(dǎo)率有效質(zhì)量；遷移率隨溫度和雜質(zhì)濃度的依賴關(guān)系；遷移率的高場效應(yīng)； Hall 效應(yīng)。熱平衡條件下費(fèi)米能級的不變性。第 3章 半導(dǎo)體中的過剩載流子（共6學(xué)時(shí)）3-1 載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過剩載流子；載流子的復(fù)合（直接復(fù)合和間接復(fù)合）；載流子的產(chǎn)生（穩(wěn)態(tài)）、準(zhǔn)費(fèi)米能級。3-2 擴(kuò)散電流和漂移電流擴(kuò)散過程、自建電場、愛因斯坦關(guān)系、擴(kuò)散和漂移電流分量。3-3 穩(wěn)態(tài)條件下的載流子注入連續(xù)性方程和擴(kuò)散方程； 載流子分布； Haynes Shockley 實(shí)驗(yàn)；準(zhǔn)費(fèi)米能級的梯度。第 4章

6、pn 結(jié)和金屬半導(dǎo)體結(jié)（共 16 學(xué)時(shí)）4-1 pn 結(jié)熱平衡狀態(tài)pn 結(jié)的接觸電勢； pn 結(jié)的耗盡區(qū)電荷。4-2 pn 結(jié)正向偏置和少子注入結(jié)邊界的過剩載流子濃度；過剩載流子濃度在結(jié)兩側(cè)的分布；電子和空穴的擴(kuò)散電流以及 pn 結(jié)電流；過剩載流子的存貯電荷；耗盡區(qū)中的pn 積。4-3 pn 結(jié)反向偏置和少子抽出結(jié)邊界的過剩載流子濃度； 過剩載流子濃度在結(jié)兩側(cè)的分布；耗盡區(qū)中的 pn 積；pn 結(jié)的反向擊穿（齊納擊穿和雪崩擊穿、擊穿二極管）。34-4 pn 結(jié)的瞬態(tài)過程和反向恢復(fù)過程存貯的過剩少子電荷隨時(shí)間的變化；反向恢復(fù)過程。4-5 pn 結(jié)電容耗盡區(qū)電容和擴(kuò)散電容；變?nèi)荻O管。4-6 對基

7、本理論的修正大注入條件；載流子在耗盡層中的產(chǎn)生與復(fù)合；歐姆損耗；緩變結(jié)。4-7 金屬半導(dǎo)體結(jié)和異質(zhì)結(jié)肖特基勢壘和整流接觸；歐姆接觸；異質(zhì)結(jié)。第 5章 場效應(yīng)晶體管（共 16 學(xué)時(shí)）5-1 場效應(yīng)晶體管的類型5-2 結(jié)型場效應(yīng)晶體管（ JFET）溝道夾斷與電流飽和；夾斷電壓；IV特性。5-3 金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）GaAs MESFET ；高電子遷移率晶體管（HEMT 、MODFET 、 2 DEG FET、SEDFET）； JFET和MESFET的短溝效應(yīng)。5-4 MOS 電容結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)和工作原理、理想MOS 電容（功函數(shù)、表面勢、閾值電壓）；實(shí)際MOS 結(jié)構(gòu)（功函數(shù)差和界面

8、電荷的影響、閾值電壓）；MOS 結(jié)構(gòu)的 CV 分析（測量界面態(tài)密度）和C t 分析（測量載流子壽命）；MOS 柵的 I V特性（ Fowler Nordheim 隧道電流）。5-5 MOSFET輸出特性（ID VD 特性）；轉(zhuǎn)移特性（ ID VG特性）；遷移率模型；短溝 MOSFETI V特性；閾值電壓的控制（柵電極材料的選取、氧化層電容的控制、離子注入對閾值電壓的控制、襯底偏置）；亞閾特性、MOSFET 的等效電路45-6 MOSFET 的物理效應(yīng)按比例縮小和熱載流子效應(yīng)；漏極誘導(dǎo)勢壘降低效應(yīng)；短溝和窄溝效應(yīng)；柵極誘導(dǎo)漏極泄露電流。第 6章 雙極結(jié)型晶體管（共 14 學(xué)時(shí)）6-1 BJT的基

9、本工作原理6-2 BJT的放大作用發(fā)射極注入效率；基區(qū)輸運(yùn)因子；電流傳輸系數(shù)；共射（基）極電流放大因子；BJT的制造工藝。6-3 BJT基區(qū)少子分布和端電流基區(qū)少子分布；端電流。6-4 BJT端電流的近似表達(dá)式、電流放大系數(shù)的近似表達(dá)式。6-5 BJT的廣義偏置狀態(tài)正向作用模式和反向作用模式；端電流的Ebers Moll 方程；電荷控制分析法。6-6 BJT的開關(guān)特性截止?fàn)顟B(tài)；飽和狀態(tài)。6-7 關(guān)于 BJT某些重要的物理效應(yīng)不均勻摻雜基區(qū)；基區(qū)縮短效應(yīng)（Early 效應(yīng)）；雪崩擊穿；大注入效應(yīng)和熱效應(yīng)；基區(qū)電阻和發(fā)射極電流集邊效應(yīng)；Kirk 效應(yīng)。6-8 BJT的Gummel Poon 電路模

10、型6-9 限制 BJT工作頻率的主要因素結(jié)的充放電時(shí)間； 載流子的渡越時(shí)間； Webster 效應(yīng)；異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 （ HBT）工作頻率高的原因。第 7章 光電子器件（共 4學(xué)時(shí)）7-1 光電二極管5受到光照時(shí) pn 結(jié)的 IV特性、光生伏特效應(yīng)；太陽能電池；光探測器。7-2 發(fā)光二極管（ LED）發(fā)光材料；通信用光纖及其特性；多層膜異質(zhì)結(jié)LED。7-3 激光器的工作原理7-4 半導(dǎo)體激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)； pn 結(jié)激光器的發(fā)光光譜；基本半導(dǎo)體激光器；異質(zhì)結(jié)激光器；半導(dǎo)體激光器的材料。第 8章 負(fù)電導(dǎo)微波器件（共 4學(xué)時(shí)）8-1 隧道二極管。8-2 碰撞雪崩渡越時(shí)間二極管（ IMPATT ）8-

11、3 電子轉(zhuǎn)移器件（ Gunn 二極管）電子轉(zhuǎn)移機(jī)制；空間電荷疇的形成及其運(yùn)動(dòng)。第 9章 高頻、大功率及納電子器件（共 6學(xué)時(shí)）9-1 pnpn 二極管基本結(jié)構(gòu)、雙晶體管模型；正向阻斷態(tài)；導(dǎo)通態(tài)；觸發(fā)機(jī)制。9-2 半導(dǎo)體可控整流器（ SCR）柵控作用和關(guān)斷特性。9-3 絕緣柵雙極晶體管（ IGBT）9-4 納電子器件低維結(jié)構(gòu)及其基本性質(zhì)；自旋存儲(chǔ)器件；阻變存儲(chǔ)器件。（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配【教學(xué)方法】（ 1 ） 雙語教學(xué)：采用英文講稿與板書，中文講解。6（ 2 ） 多媒體教學(xué)：采用 PowerPoint 講稿（英文）和 Movie 資料演示。（ 3 ） 課堂組織：主要是課堂講授（約 64 學(xué)時(shí)）

12、，對某些主題采用課堂討論形式（約 8學(xué)時(shí)），討論的主題采用Problem Based Learning方法確定。（ 4 ） 習(xí)題與作業(yè)：布置課后作業(yè)（約 75 道習(xí)題），共性問題集中解答。【學(xué)時(shí)分配】本課程共 72 學(xué)時(shí)。第 1 3章以半導(dǎo)體物理學(xué)課程內(nèi)容作為基礎(chǔ)，只做概略性講授，占 12 學(xué)時(shí)。第 2 章不講。第 410 章（第 9 章除外）是本課的主要內(nèi)容，占60 學(xué)時(shí)。第 9章關(guān)于集成電路的內(nèi)容有專門課程講授，本課程中可不講。各章節(jié)的具體課時(shí)分配見“課程內(nèi)容與安排”。（二）內(nèi)容及基本要求【主要內(nèi)容】第 1-4 章是關(guān)于半導(dǎo)體材料及其生長技術(shù)、 量子力學(xué)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體能帶以及過剩載流子方面的

13、內(nèi)容。第 5-10 章是關(guān)于各種電子器件和集成電路的結(jié)構(gòu)、工作原理以及制造工藝等內(nèi)容，包括：p-n 結(jié)、金屬 - 半導(dǎo)體結(jié)、異質(zhì)結(jié)；場效應(yīng)晶體管（JFET、MESFET、MOSFET ）；雙極結(jié)型晶體管（ BJT、HBT ）；光電子器件（太陽電池、光探測器、LED、激光器）；高頻、大功率及納電子器件（隧道二極管、IMPATT 二極管、 Gunn 二極管、SCR、IGBT、新型納電子器件） 。第 9 章介紹 CMOS 制造工藝，從器件物理角度介紹了 SRAM 、DRAM 、CCD 、閃存等集成器件的結(jié)構(gòu)和工作原理?！菊莆铡浚?1 ） 半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)（晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、典型用途）；（ 2 ） 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)；（ 3 ） 各種半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理以及特性： pn 結(jié)/ 金屬半導(dǎo)體結(jié)，雙極結(jié)型晶體管（ BJT），結(jié)型場效應(yīng)晶體管（ JFET），金屬絕緣體半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管7（ MESFET/MOSFET ），光電子器件，負(fù)電導(dǎo)微波器件，功率半導(dǎo)體器件，納電子器件；（ 4 ） 器件物理效